上げ面フランジと平坦面フランジ: 主な違いは何ですか? 正しいものを選択するにはどうすればよいですか?

配管システム設計においてフランジ面のタイプが重要な理由

石油やガスの処理、化学プラント、水処理施設、発電所など、あらゆる配管システムにおいて、フランジはパイプ部分、バルブ、ポンプ、機器を結合して漏れのない完全な流体経路を形成する機械的コネクタです。エンジニアは接続を指定するときにフランジの材質、圧力クラス、ボア サイズに注目することがよくありますが、フランジ面のタイプも同様に重要であり、誤解されることがよくあります。面はフランジの接触面であり、ガスケットに対して圧縮されてシールを形成する領域です。工業用途で最も一般的な 2 つの面タイプは、隆起面 (RF) と平坦面 (FF) です。素人目には似ているように見えますが、形状、シール機構、圧力能力、用途の適合性の違いは非常に大きく、特定のシステムで間違ったタイプを使用すると、ガスケットの破損、ジョイントの漏れ、機器の損傷、または重大な安全上の事故が発生する可能性があります。

平面フランジと平面フランジがどのように異なるのか、そしてそれぞれをどのような条件で指定する必要があるのか​​を正確に理解することは、配管エンジニア、調達専門家、メンテナンス技術者が設計段階と現場での設置および交換作業の両方で正しい判断を下すために必要な実践的な知識です。

平面フランジとは

隆起面フランジは、フランジ本体のボルトの円形面の上に突き出た円形の隆起シール面を備えています。この隆起部分（通常、クラス 150 およびクラス 300 フランジの場合は 1.6 mm（1/16 インチ）、ASME B16.5 によるクラス 400 およびそれより高い圧力クラスの場合は 6.4 mm（1/4 インチ）隆起）により、ボルトの荷重がより小さな接触領域に集中します。ボルトからのクランプ力はフランジ面全体ではなく、減少した表面積にかかるため、ガスケットにかかる接触応力は、所定のボルトトルクに対して大幅に高くなります。この高いガスケット応力により、高圧動作条件下でもしっかりとした信頼性の高いシールが形成されます。

隆起面の表面は通常、特定の表面仕上げ (一般的には 125 ～ 250 AARH (算術平均粗さ高さ) のスパイラル鋸歯状仕上げまたは同心の鋸歯状仕上げ) で仕上げられており、圧縮中にガスケット材料と機械的に噛み合い、シール性能をさらに強化し、圧力サージ下でのガスケットの吹き出しを防ぎます。レイズドフェイス フランジは、ほとんどの産業用途のスチール フランジに対して ASME B16.5 に基づいて指定されているデフォルトの面タイプであり、うず巻形ガスケット、リング タイプ ジョイント、およびさまざまな軟質材料シート ガスケットを含む幅広いガスケット材料と互換性があります。

平面フランジとは

平らな面のフランジには、ボアからボルト穴の外縁まで、フランジの面全体にわたって面一で連続したシール面があります。盛り上がった座面はなく、ガスケットはボルト穴の周囲の領域を含むフランジの全面に接触します。この全面接触設計により、ボルトの荷重がはるかに広い領域に分散されるため、同じボルト トルクで締め付けられた平面フランジと比較して、ガスケットの接触応力が低くなります。

平面フランジは特定の用途で必須であり、鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、またはその他の脆性材料で作られたフランジ付き機器に接続する場合が最も重要です。鋳鉄製フランジは標準で平面的に製造されていますが、これは単なる慣例の問題ではありません。平面鋼フランジを平面鋳鉄フランジにボルトで固定すると、ボルト荷重が鋼フランジの隆起部分にのみ集中し、鋳鉄フランジ面全体に不均一な曲げモーメントが生じます。この曲げ応力により鋳鉄フランジに亀裂が生じる可能性があり、これは高温の流体や危険な化学物質を運ぶシステムでは特に危険な故障モードです。フルフェイスガスケットとフラットフェイスフランジを使用すると、荷重が均等に分散され、脆いコンポーネントがこの曲げ応力から保護されます。

直接比較: 上げ面フランジと平面フランジ

以下の表は、主要な技術パラメータおよびアプリケーションパラメータにわたる、平面フランジと平面フランジの最も重要な違いをまとめたものです。

ガスケットの選択: 面タイプがガスケット設計をどのように決定するか

フランジ面のタイプとガスケットの選択の関係はオプションではなく、エンジニアリングに直接依存します。特定のフランジ面構成で間違ったタイプのガスケットを使用すると、シール応力が不十分になったり、ガスケットがはみ出したり、フランジや相手機器に機械的損傷が発生したりする可能性があります。

平面フランジ用ガスケット

レイズドフェイス フランジでは、ボアとボルト円の内側エッジの間のレイズド シート エリア内に位置するリング タイプのガスケットが使用されます。平面用途向けの一般的なガスケット タイプには、外側センタリング リング付きうず巻形ガスケット (ボルト締め時のガスケットの位置ずれを防止します)、超高圧用途向けの固体金属リング ガスケット、低圧、低温での使用向けにリング寸法にカットされた圧縮非アスベスト繊維 (CNAF) シート ガスケットなどがあります。うず巻形ガスケットのセンタリングリングは、隆起面の外径に合わせて特別に設計されており、ガスケットの正確な位置を確保し、巻線の過度の圧縮を防ぎます。

平面フランジ用ガスケット

平面フランジには、フランジ面全体に広がるフルフェイス ガスケットが必要で、フランジ ボルトの円に一致するようにガスケット素材にボルト穴が開けられています。この全面設計は不可欠です。これにより、ボルトの荷重が面全体に均等に分散され、リング ガスケットのみを使用した場合に発生する曲げモーメントが防止されます。全面ガスケットは通常、ゴム (EPDM、ネオプレン、ニトリル)、PTFE、圧縮繊維シートなどのより柔らかく圧縮性の高い材料で作られており、平面接続で利用できる低い接触圧力で適切なシール応力を実現できます。材料は、低いボルト荷重でシールできるほど柔らかくなければなりませんが、プロセス流体、温度、および時間の経過による機械的緩和に耐えるのに十分な耐久性を備えていなければなりません。

各顔タイプが指定されたアプリケーション環境

平面フランジと平面フランジの選択は、流体供給、圧力と温度の条件、接続機器の材質などの使用環境によって主に決まります。これらのアプリケーションのコンテキストを理解すると、ほとんどの場合、選択の決定が簡単になります。

• 高圧蒸気およびプロセス配管: うず巻きガスケットを備えた上げ面フランジは、蒸気ライン、炭化水素プロセス配管、製油所や化学プラントの高温サービスの標準仕様です。 RF 設計の集中したシール応力は、熱サイクルや圧力変動下で接合部の完全性を維持するために不可欠です。
• 鋳鉄ポンプおよびバルブへの接続: 鋼管を鋳鉄ポンプケーシング、バルブ本体、またはその他の脆性機器に接続する場合は、全面ガスケット付きの平面フランジが必須です。これは現場設置において最も頻繁に違反される規則の 1 つであり、作業者が誤って平坦面および全面ガスケットに変換せずに、標準鋼製 RF フランジを鋳鉄製機器に直接ボルトで固定してしまいます。
• 水道および低圧公共事業サービス: 平面フランジは、接続される機器が鋳鉄またはダクタイル鋳鉄であり、動作圧力がクラス 150 の制限未満に留まる給水、HVAC、および低圧ユーティリティ システムで一般的です。これらのシステムは通常、適度なボルト荷重で信頼性の高いシールを提供するゴム製の全面ガスケットを使用します。
• ガラス繊維強化プラスチック (FRP) 配管システム: FRP フランジは平面で製造されており、鋳鉄と同じ理由で平面の合わせフランジと全面ガスケットが必要です。材料は脆く、亀裂や層間剥離の危険なしに隆起面接続によって加えられる曲げ応力に耐えることができません。
• 海中および高信頼性アプリケーション: レイズドフェイス フランジ、および最も要求の厳しい場合にはリング タイプ ジョイント (RTJ) フランジが、漏れの影響が深刻で頻繁なメンテナンス アクセスが不可能な海底パイプラインやその他の重要な高信頼性圧力保持システムに仕様化されています。

よくあるインストールの間違いとその回避方法

フランジ面タイプの誤使用は、産業施設におけるフランジ接合部の漏れや機器の損傷の最も一般的な原因の 1 つです。これらのエラーの多くは、メンテナンスや拡張作業中に、面タイプの互換性に適切な注意を払わずに新しい鋼管を既存の鋳鉄設備に接続したときに発生します。以下に、最も頻繁に発生する間違いと、それを防ぐための正しい実践方法を示します。

• RF 鋼フランジを FF 鋳鉄機器にボルト締めする: これは最も危険な誤用です。正しい解決策は、接続するスチール フランジを平面として指定するか、スチール フランジがすでに平面として納品されている場合は、設置前に平面を平面に機械加工することです。鋳鉄面全体に荷重が適切に分散されないため、この構成ではリング ガスケットを決して使用しないでください。
• 平面フランジにリングガスケットを使用する場合: 2 つの平らな面のフランジの間にリング ガスケットを取り付けると、外側のボルト穴領域がサポートされなくなり、ボルトの荷重がかかるとフランジが内側に窪むことができます。これによりシール面が歪み、内側の端に応力が集中し、ほとんどの場合漏れが発生します。常に平面フランジ付きの全面ガスケットを使用してください。
• フェイス タイプのボルト トルクが正しくありません: 平面フランジと平面フランジでは有効なガスケット着座面積が異なるため、同じ圧力クラスとフランジ サイズであっても、適切なガスケット応力を達成するために必要なボルト トルクは 2 つの構成間で異なります。これらの変数を考慮していない一般的なボルト トルク テーブルではなく、常に特定の面タイプ、ガスケット材質、およびガスケット寸法に対して計算されたトルク値を使用してください。
• 表面仕上げ検査の無視: ガスケットを取り付ける前に、隆起面座面に、ガスケットを通る漏れ経路となる可能性のある放射状の傷、孔食、または腐食損傷がないか検査する必要があります。座面全体にわたって放射状に（シール方向に対して垂直に）広がる損傷は特に深刻であり、通常は再組み立て前にフランジ面の機械加工またはフランジの交換が必要です。

配管システムの正しい選択

上げた顔と 平面フランジ これは好みの問題ではなく、材料、圧力クラス、流体サービス、および各特定の接続に関連する機器によって決定されるエンジニアリング要件です。低圧以上で動作する工業用鋼製配管システムの大部分では、うず巻形ガスケットを備えた平面フランジが正しく実証された標準仕様を表しています。鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、FRP、またはその他の脆いフランジ付きコンポーネントを含む接続の場合、機械的完全性と安全性の両方の観点から、全面ガスケットを備えた平面フランジは交渉の余地がありません。

設計または調達段階で疑問がある場合は、機器メーカーのフランジ仕様と該当する配管規格 (鋼製フランジについては ASME B16.5、鋳鉄およびダクタイル鋳鉄フランジについては ASME B16.1 または B16.42、ガスケット寸法については ASME B16.21) を参照してください。これらの規格は、フランジ クラスと材質のあらゆる組み合わせに対する面タイプの互換性とガスケットの選択に関する最終的なガイダンスを提供しており、これらの規格に準拠することが、システムが遭遇する動作条件の全範囲にわたって長期的なジョイントの完全性を確保する最も信頼できる方法です。